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解決方案



細分行業解決方案
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礦井提升機應用


ACI變頻器在煤礦提升機上的應用
 

一、礦井提升概述: 
    礦井提升機是煤礦、鐵礦、有色金屬礦生產過程中的重要設備。提升機的安全、可靠運行,直接關系到企業的生產狀況和經濟效益。煤礦井下采好的煤通過斜井用提升機將礦車拖至地面。安裝在地面絞車房的絞車(提升機),由電機經減速器帶動卷筒旋轉,鋼絲繩在卷筒上纏繞數周掛上一列礦車,在電機的驅動下將礦車從地面放至井下或把礦車從井下拖至地面。這種拖動系統要求電機頻繁的正、反轉起動,減速制動,而且電機的轉速按一定規律變化。斜井提升機的機械結構示意圖如圖1所示。斜井提升機驅動電機一般是繞線式異步電機,采用轉子串電阻方式調速。提升機的基本參數是:電機功率55kW,卷筒直徑Φ1200mm,減速器減速比24:1,鋼絲繩最高運行速度2.5m/s,鋼絲繩長度為120m。




    圖1 提升機卷筒機械傳動系統結構示意圖


二、現有大多數中、小型礦井采用斜井絞車提升,存在問題: 
    1、目前,大多數中、小型礦井采用斜井串車提升,傳統斜井提升機普遍采用交流繞線式異步電機轉子串電阻調速,電阻的投切用繼電器—交流接觸器控制。這種控制系統由于調速過程中交流接觸器動作頻繁,設備運行時間較長后,交流接觸器主觸頭易氧化發熱熔焊或接觸不良,引發設備故障。
    2、提升機在減速和爬行階段的速度控制性能較差,經常會造成停車位置不準確。提升機頻繁的啟動﹑調速和制動,在轉子電路所串的電阻上會產生相當大的功耗。
    3、傳統斜井提升機采用交流繞線式電機串電阻調速,這種交流繞線式異步電機串電阻調速系統屬于有級調速,調速的平滑性差;低速時機械特性較軟,靜差率較大;電阻上消耗的轉差功率大,能耗大;啟動過程和調速換擋過程中電流沖擊大;中高速運行震動大,安全性較差。

三、變頻節電改造原理
    為克服傳統交流繞線式異步電機轉子串電阻調速系統的缺點,采用變頻調速技術改造提升機,可以實現全頻率(0~50Hz)范圍內的恒轉矩控制。對再生能量的處理,可采用價格低廉的能耗制動方案或節能更加顯著的回饋制動方案。為安全性考慮,液壓機械制動需要保留,并在設計過程中對液壓機械制動和變頻器的制動加以整合。礦井提升機變頻調速方案原理如圖2所示。



    圖2 礦井提升機變頻調速方案原理圖

    考慮到繞線式電動機比鼠籠式電動機的力矩大,且過載能力強,所以仍用原來的4極55kW繞線式電機,在用變頻器驅動時需將轉子三根引出線短接。提升機在運行過程中,井下和井口必須用信號進行聯絡,信號未經確認,提升機不能運行。為顯示運行時礦車的位置,使用E6B2-CW6Z 40P旋轉編碼器,即電機旋轉1圈旋轉編碼器產生40個脈沖,這樣每兩個脈沖對應車廂走過的距離為1200×π/(24×40)=3.927,約為3.9mm。如果采用6位計算器,設定單個脈計量值為3.9,沖則與實際距離的誤差值為4-3.9=0.027mm,卷筒運行一圈誤差為0.027×40×24=25.29mm,已知鋼絲繩長度為120m,如果兩個脈沖對應車廂走過的距離用近似值3.9mm計算,120m全程誤差為25.92×120000/1200π≈825mm。再考慮到實際檢測過程中有一個脈沖的誤差,則最大的誤差在821mm~829mm之間,對于數十米長的車廂來說誤差范圍不到1m,精度足夠。因此,用計數器實時統計旋轉編碼器發出的脈沖個數,則可計算出車廂的位置并用顯示器顯示。另外一個問題是計數過程中有無累計誤差存在?實際檢測時,在一個提升過程開始前,首先將計數器復位,第一個重車廂經過某個位置時,打開計數器計數,車廂在斜井中的位置以此點為基準計算,沒有累計誤差。在操作臺上,用8英寸觸摸屏顯示交流電壓和電機工作電流以及車廂的位置。

四、方案實施
    斜井提升負載是典型的摩擦性負載,即恒轉矩特性負載。重車上行時,電機的電磁轉矩必須克服負載轉矩,啟動時還要克服一定的靜摩擦力矩,電機處于電動工作狀態位于第一象限;在重車減速時,雖然重車在斜井軌面上有一向下的分力,但重車的減速時間較短,電機仍會處于再生工作狀態位于第二象限;當空車下行時,電機處于反向電動狀態位于第三象限;當重車下行時,電機工作在發電狀態位于第四象限。另外,有占總運行時間10%的時間單獨運送工具或器材到井下時,電機純粹處于第二或第四象限,此時電機長時間處于再生發電狀態,需要進行有效的制動。用能耗制動方式必將消耗大量的電能;用回饋制動方式,可節省這部分電能,但回饋制動單元價格較高,投資較大,考慮到單獨運送工具或器材到井下僅占總運行時間的10%,為此選用價格低廉的能耗制動單元加能耗電阻的制動方案。
    提升機的負載特性為恒轉矩位能負載,啟動力矩較大,選用變頻器時適當地留有余量,因此選用ACI V11-90kW變頻器。由于提升機電機絕大部分時間都處于電動狀態,僅在少數時間有再生能量產生,變頻器接入制動單元和制動電阻,就可以滿足重車下行時的再生制動,實現平穩的下行。地面絞車房還有一個液壓機械(盤式)制動器,此制動器用于重車靜止時的制動,特別是重車停在斜井的斜坡上,必須有液壓機械制動器制動。液壓機械制動器受PLC和變頻器共同控制,機械制動是否打開,受變頻器控制,啟動時當變頻器的輸出轉矩達到設定值時,變頻器TA、TB端口輸出開關信號,表示電機轉矩已足夠大,打開液壓機械制動器,重車可上行;減速過程中,當變頻器的頻率下降到0.2Hz時,表示電機轉矩已較小,液壓機械制動器制動停車。緊急情況時,按下緊急停車按鈕,變頻器能耗制動和液壓機械制動器同時起作用,使提升機在盡量短的時間內停車。
     提升機傳統的操作方式為:操作工人坐在地面絞車房操作臺前,手握操縱桿控制電機正、反轉共三擋速度。為適應操作工人這種操作方式,變頻器采用(無檔位)多段速調速方式。變頻調速原理圖如圖3所示。



     圖3 變頻調速原理圖





五、節電率與投資回報分析  
    某煤礦使用的礦井提升機,原采用132KW三相異步電動機轉子串電阻調速,用交流接觸器進行速度切換,由于功率比較大,所以啟動換檔時沖擊電流大,中高速運行不平穩,大量的電能消耗在轉子電阻上,造成能源的極大浪費。同時,由于接觸器電磁噪音大,工人的操作環境也極惡劣,急需進行改造。
   由于變頻器具有軟啟動、大范圍內平滑調速、節能效果顯著等優點,因此該礦經過多方考察,決定采用廣州ACI電氣有限公司生產的V11系列185KW變頻器對絞車系統進行變頻改造,經過幾個月的運行,證明改造的效果比較理想,主要表現在:
1.實現了啟動時的軟啟動、軟停車,減輕了對電網的沖擊。
2.變頻器的頻率連續可調,使調速更加方便、可靠,運行更平穩。
3.使用變頻器后省去原先的換檔接觸器及調速電阻,即節省了維修費用,又減少了停機維修時間,從而提高了產量。同時消除了接觸器電磁噪音,改善了操作環境,使工人避免在夏季調速電阻發熱造成的高溫條件下工作。
4.在低速時節能效果十分明顯。礦井深300多米,測量時用4/50A的電度表,在相同耗電量的情況下,用工頻可拉17勾,而使用變頻可拉26勾,即變頻比工頻多拉9勾。經估算節電率約為20%。由于使用了變頻器,設備基本上是滿載運行。即使我們采用保守算法,按132KW的電機負載率為90%,實際功率為118.8KW,每天只使用20小時,每年工作360天,一年節電仍高達17.1萬度(118.8KW*20%*20h*360天=302400度)。若以每度電0.5元計算,則每年可節電費8萬多元(17.1*0.5=8.55萬元)。

六、結束語
     繞線式電機轉子串電阻調速,電阻上消耗大量的轉差功率,速度越低,消耗的轉差功率越大。使用變頻調速一種低耗能的高效的調速方式。提升機絕大部分時間都處在電動狀態,節能十分顯著,經測算節能20%以上,取得了很好的經濟效益。另外,提升機變頻調速使系統運行的穩定性和安全性得到大大的提高,減少了運行故障和停工時間,節省了人力和物力,提高了運煤能力,間接的經濟效益也很可觀。 



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